KR101120052B1 - Hybrid super capacitor using composite electrode and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합전극을 이용하여 등가직렬저항을 개선한 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터 및 제조방법에 관한 것으로, 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 양극(11)과, 양극(11)과 대향되도록 배치되며 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 음극(21)과, 양극(11)과 음극(21) 사이에 설치되어 양극(11)과 음극(21)이 서로 접촉되는 것을 방지하는 분리막(30)을 가지고, 양극활물질은 스피넬계, 올리빈계 및 층상계 중 하나가 선택되며, 음극활물질은 카본이 코팅된 Li4Ti5O12이 사용되어 등가직렬저항을 개선시켜 하이브리드 슈퍼 커패시터의 출력밀도와 수명을 연장키는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a hybrid supercapacitor and a manufacturing method using a composite electrode having improved equivalent series resistance by using a composite electrode, including 60 to 75 wt.% Activated carbon, 5 to 15 wt.% Cathode active material, and 1 to 10 wt% conductive material. %, A positive electrode 11 composed of 5 to 15 wt.% Binder, 60 to 90 wt.% Negative electrode active material, 5 to 20 wt.% Conductive material, 5 to 15 wt. It has a negative electrode 21 made of% and a separator 30 provided between the positive electrode 11 and the negative electrode 21 to prevent the positive electrode 11 and the negative electrode 21 from contacting each other, the positive electrode active material is a spinel type , Olivine-based and layer-based ones are selected, and the negative electrode active material is carbon coated Li 4 Ti 5 O 12 is used to improve the equivalent series resistance to extend the output density and life of the hybrid super capacitor .

Description

복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터 및 제조방법{Hybrid super capacitor using composite electrode and manufacturing method thereof}Hybrid super capacitor using composite electrode and manufacturing method

본 발명은 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터 및 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복합전극을 이용하여 등가직렬저항을 개선한 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터 및 제조방법을 제공함에 있다.The present invention relates to a hybrid supercapacitor and a manufacturing method using a composite electrode, and more particularly to providing a hybrid supercapacitor and a manufacturing method using a composite electrode having improved equivalent series resistance using the composite electrode.

전기이중층 커패시터(Electrochemical Double Layer Capacitor: EDLC)는 고체전극과 전해질 사이의 계면에 생성되는 전기이중층에 전하가 축적되는 것을 이용하여 전기에너지를 축적한다. 전기이중층 커패시터는 충전시간이 짧으며, 출력밀도는 1000～2000W/kg으로 매우 높고, 싸이클(cycle) 수명특성은 반영구적으로 길다. 전기이중층 커패시터는 전극과 전해질의 계면(전기이중층)에서만 충방전 반응이 일어나는 특징이 있으며, 이러한 반응이 표면에 한정되어 있기 때문에 저장되는 에너지밀도가 1～10Wh/kg으로 낮게 된다. Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLCs) accumulate electrical energy by accumulating electric charges in an electric double layer formed at an interface between a solid electrode and an electrolyte. The electric double layer capacitor has a short charging time, a very high output density of 1000-2000W / kg, and a long cycle life. The electric double layer capacitor has a characteristic that the charge and discharge reaction occurs only at the interface between the electrode and the electrolyte (electric double layer), and since the reaction is limited to the surface, the energy density stored is low as 1 to 10 Wh / kg.

전기이중층 커패시터는 전극, 분리막, 전해질 및 케이스로 구성된다. 전기이중층 커패시터에서 가장 중요한 요소는 전극에 사용되는 전극물질이며, 전극물질은 전기전도성 및 비표면적이 커야하고, 전기 화학적으로 안정해야하기 때문에 활성탄(activated carbon) 또는 활성탄 섬유가 가장 많이 사용되고 있다.An electric double layer capacitor consists of an electrode, a separator, an electrolyte, and a case. The most important element in the electric double layer capacitor is the electrode material used for the electrode, and activated carbon or activated carbon fiber is most used because the electrode material has to have high electroconductivity, specific surface area, and electrochemical stability.

전기이중층 커패시터는 에너지밀도를 높이기 위해서 구동전압을 높이는 방법이 있으나 구동전압을 높이는 것은 전해질의 분해가 일어나지 않는 범위로 제한되므로 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 전극물질로 활성탄을 사용하는 경우에 축전용량은 활성탄 표면의 기공을 늘리는 것에 의해 증가시켜 에너지밀도를 개선할 수 있으나 활성탄 표면의 기공을 늘리는 것은 한계가 있다.The electric double layer capacitor has a method of increasing the driving voltage in order to increase the energy density, but increasing the driving voltage is limited because it is limited to the range in which the decomposition of the electrolyte does not occur. In order to solve this problem, in the case of using activated carbon as an electrode material, the storage capacity can be increased by increasing the porosity of the surface of the activated carbon, thereby improving the energy density.

하이브리드 슈퍼 커패시터는 전술한 전기이중층 커패시터의 에너지밀도를 개선하기 위해 개발되었다. 하이브리드 슈퍼 커패시터는 양극에는 활성탄을 사용하고 음극에는 Li4Ti5O12(티탄산리튬:LTO)을 사용하여 에너지밀도를 개선하였다. 티탄산리튬은 리튬에 대해 전위가 높고 계면에서 전해액과의 반응물이나 리튬이 석출되지 않아 안전성과 저온특성이 좋은 특징을 갖는다. Hybrid supercapacitors have been developed to improve the energy density of the aforementioned electric double layer capacitors. Hybrid supercapacitors use activated carbon for the positive electrode and Li 4 Ti 5 O 12 (lithium titanate: LTO) for the negative electrode to improve energy density. Lithium titanate has a high potential with respect to lithium, and does not precipitate reactants or lithium with electrolyte at the interface, and thus has good safety and low temperature characteristics.

종래의 하이브리드 슈퍼 커패시터는 양극에 활성탄을 사용하고 음극에 Li4Ti5O12을 사용하여 에너지밀도를 개선하였으나 Li4Ti5O12이 리튬에 대해 전위가 높기 때문에 활성탄과 조합하면 저항이 높아지게 된다. 이와 같이 전극재질의 저항이 높아지는 경우에 등가직렬저항(ESR: Equivalent Series Resistance)이 증가되어 출력밀도와 수명이 저하되는 문제점이 있다. Conventional hybrid supercapacitors improve the energy density by using activated carbon for the positive electrode and Li 4 Ti 5 O 12 for the negative electrode. However, since Li 4 Ti 5 O 12 has a high potential for lithium, the resistance increases when combined with activated carbon. . As such, when the resistance of the electrode material is increased, an equivalent series resistance (ESR) is increased, resulting in a decrease in output density and lifetime.

본 발명의 목적은 전술한 종래 하이브리드 슈퍼 커패시터의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복합전극을 이용하여 등가직렬저항을 개선한 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터 및 제조방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the above problems of the conventional hybrid supercapacitor, and to provide a hybrid supercapacitor and a manufacturing method using the composite electrode having improved equivalent series resistance using the composite electrode.

본 발명의 다른 목적은 등가직렬저항을 개선시켜 출력밀도와 수명을 개선시킬 수 있는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터 및 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a hybrid supercapacitor and a manufacturing method using a composite electrode capable of improving output density and lifetime by improving an equivalent series resistance.

본 발명의 일실시예에 따른 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 양극과; 상기 양극과 대향되도록 배치되며 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 음극과; 상기 양극과 상기 음극 사이에 설치되어 양극과 음극이 서로 접촉되는 것을 방지하는 분리막을 가지며, 상기 양극활물질은 스피넬계, 올리빈계 및 층상계 중 하나가 선택되며, 상기 음극활물질은 카본(carbon)이 코팅된 Li4Ti5O12인 것을 특징으로 한다.Hybrid supercapacitor using a composite electrode according to an embodiment of the present invention is composed of 60 to 75wt.% Activated carbon, 5 to 15wt.% Positive electrode active material, 1 to 10wt.% Conductive material, 5-15wt.% Binder An anode; A negative electrode disposed to face the positive electrode and having a negative electrode active material of 60 to 90 wt.%, A conductive material of 5 to 20 wt.%, And a binder of 5 to 15 wt.%; It is provided between the positive electrode and the negative electrode has a separator to prevent the positive electrode and the negative electrode contact with each other, the positive electrode active material is selected from one of spinel-based, olivine-based and layered, the negative electrode active material is carbon (carbon) It is characterized in that the coated Li 4 Ti 5 O 12 .

본 발명의 다른 실시예에 따른 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 제1알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포되며 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 양극과; 상기 양극과 대향되도록 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포되며 카본이 코팅된 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 음극과; 상기 양극과 상기 음극 사이에 설치되어 양극과 음극이 서로 접촉되는 것을 방지하는 분리막과; 상기 양극과 상기 음극과 상기 분리막이 수납되고 리튬염이 포함되는 전해액이 함침되는 케이스로 구성되며, 상기 양극활물질은 스피넬계, 올리빈계 및 층상계 중 하나가 선택되며, 상기 음극활물질은 카본이 코팅된 Li4Ti5O12인 것을 특징으로 한다.Hybrid supercapacitor using a composite electrode according to another embodiment of the present invention is applied to the front and rear of the first aluminum foil, respectively, 60 to 75 wt.% Activated carbon, 5 to 15 wt.% Cathode active material, 1 to 10 wt. A positive electrode composed of.% And 5 to 15 wt.% Binder; A negative electrode which is applied to the front and rear surfaces of the second aluminum foil so as to face the positive electrode, and comprises 60 to 90 wt.% Of carbon-coated anode active material, 5 to 20 wt.% Conductive material, and 5 to 15 wt.% Binder; A separator installed between the positive electrode and the negative electrode to prevent the positive electrode and the negative electrode from contacting each other; The positive electrode, the negative electrode and the separator is accommodated and the case is impregnated with an electrolyte containing a lithium salt, the positive electrode active material is selected from spinel-based, olivine-based and layered, the negative electrode active material is carbon coated Li 4 Ti 5 O 12 It characterized in that.

본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법은 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 양극물질을 제조하여 제1알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포하여 양극을 제조하는 과정과; 상기 양극물질이 제조되면 카본이 코팅된 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%의 비로 혼합하여 음극물질을 제조하여 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포하여 음극을 제조하는 과정과; 상기 양극과 음극의 제조가 완료되면 양극과 음극 사이에 분리막을 삽입한 후 젤리 롤(jelly roll)형 전극조립체로 권취하는 과정과; 상기 전극조립체가 제조되면 전극조립체를 케이스에 수납하고 전해질을 함침하여 조립하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention includes a cathode material composed of 60 to 75 wt.% Activated carbon, 5 to 15 wt.% Cathode active material, 1 to 10 wt.% Conductive material, and 5 to 15 wt.% Binder. Preparing and coating the front and rear surfaces of the first aluminum foil to manufacture a positive electrode; When the cathode material is manufactured, a cathode material is prepared by mixing the carbon-coated anode active material 60 to 90 wt.%, The conductive material 5 to 20 wt.%, And the binder 5 to 15 wt.% By mixing the front surface of the second aluminum foil. Preparing a negative electrode by coating each on a rear surface; When the production of the cathode and the anode is completed, inserting a separator between the anode and the cathode and winding the jelly roll type electrode assembly; When the electrode assembly is manufactured, the electrode assembly is accommodated in a case and characterized in that the process of assembling the electrolyte impregnated.

본 발명의 하이브리드 슈퍼 커패시터 및 제조방법은 복합전극을 이용하여 등가직렬저항을 개선함으로써 출력밀도와 수명을 개선시킬 수 있는 이점을 제공한다.The hybrid supercapacitor and manufacturing method of the present invention provide an advantage of improving output density and lifetime by improving an equivalent series resistance using a composite electrode.

도 1은 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 측단면도,
도 2는 도 1에 도시된 'A'부분의 요부 확대 측단면도,
도 3은 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법을 나타낸 흐름도,
도 4는 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 씨-레이트(C-rate) 특성을 나타낸 표.1 is a side cross-sectional view of a hybrid super capacitor using the composite electrode of the present invention;
Figure 2 is an enlarged side cross-sectional view of the main portion of the 'A' portion shown in FIG.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hybrid super capacitor using the composite electrode of the present invention;
Figure 4 is a table showing the C-rate (C-rate) characteristics of the hybrid super capacitor using the composite electrode of the present invention.

이하, 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of a hybrid super capacitor using the composite electrode of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 도 1 및 도 2에서와 같이 양극부재(10), 음극부재(20), 분리막(30), 전해질(40) 및 케이스(50)로 구성되며, 각각의 구성을 순차적으로 설명하면 다음과 같다.Hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention is composed of a positive electrode member 10, a negative electrode member 20, a separator 30, an electrolyte 40 and a case 50 as shown in Figs. The configuration of the following will be described sequentially.

양극부재(10)는 양극(11)과 제1알루미늄 포일(12)로 이루어진다. 양극(11)은 제1알루미늄 포일(12)의 전면과 후면에 도포되어 형성되며, 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어져 복합전극을 형성한다. 즉, 양극(11)은 양극활물질, 활성탄 및 도전재 등의 복합재질을 갖는 복합전극이 사용된다. 이러한 양극(11)을 이루는 양극활물질은 전하의 캐리어가 되는 리튬이온이 양극(11)과 음극(21) 사이를 이동하여 전지반응이 진행됨으로써 리튬이 이동하기 쉬운 구조를 갖는 스피넬계, 올리빈계 및 층상계 중 하나가 선택되어 사용된다. The anode member 10 is composed of an anode 11 and a first aluminum foil 12. The positive electrode 11 is formed on the front and rear of the first aluminum foil 12, and is formed with 60 to 75 wt.% Of activated carbon, 5 to 15 wt.% Of a cathode active material, 1 to 10 wt.% Of a conductive material, and binder 5 To 15 wt.% To form a composite electrode. That is, the anode 11 is a composite electrode having a composite material such as a cathode active material, activated carbon and a conductive material. The positive electrode active material constituting the positive electrode 11 includes spinel-based, olivine-based, and lithium-ion, which are carriers of charge, move between the positive electrode 11 and the negative electrode 21 and undergo a battery reaction. One of the strata is selected and used.

스피넬계는 LiMn2O4 및 Li(MnNi)O4 중 하나가 선택되어 사용되며, 올리빈계는 LiFePO4이 사용된다. 층상계는 LiCoO2이 사용되며, 활성탄은 비표면적이 1500 ~ 2000 m2/g이 되는 것을 사용한다. 이 중 올리빈계는 인(P)과 산소(O)가 단단히 결합되는 구조를 가짐으로 고온 상태에서도 산소를 잘 방출하지 않아 안전성을 높일 수 있다. The spinel system is one selected from LiMn 2 O 4 and Li (MnNi) O 4 , and the olivine type LiFePO 4 is used. LiCoO 2 is used as the layered system, and activated carbon is used having a specific surface area of 1500 to 2000 m 2 / g. Of these, the olivine-based structure has a structure in which phosphorus (P) and oxygen (O) are firmly coupled, thereby improving safety by not releasing oxygen well even at a high temperature.

음극부재(20)는 음극(21)과 제2알루미늄 포일(22)로 이루어지며, 양극(11)과 대향되도록 배치되며 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어져 복합전극을 형성한다. 즉, 음극(21)은 양극(11)과 함께 음극활물질 및 도전재 등의 복합재질을 갖는 복합전극이 사용된다. 이러한 음극(21)에 사용되는 카본이 코팅된 음극활물질은 카본이 코팅된 Li4Ti5O12이 사용되며, Li4Ti5O12는 리튬에 대해 전위가 높고 계면에 전해질과의 반응물과 리튬이 석출되지 않기 때문에 안전성 및 저온 특성이 개선된다. The negative electrode member 20 is composed of the negative electrode 21 and the second aluminum foil 22, and is disposed to face the positive electrode 11, the negative electrode active material 60 to 90wt.%, The conductive material 5 to 20wt.%, And the binder It consists of 5 to 15wt.% To form a composite electrode. That is, the cathode 21 is a composite electrode having a composite material such as a cathode active material and a conductive material together with the anode (11). The carbon-coated anode active material used for the cathode 21 is carbon-coated Li 4 Ti 5 O 12 is used, Li 4 Ti 5 O 12 has a high potential for lithium and reactants with the electrolyte and lithium at the interface Since it does not precipitate, safety and low temperature characteristics are improved.

음극활물질로 Li4Ti5O12이 사용되고, Li4Ti5O12의 표면에 카본이 코팅됨으로써 Li4Ti5O12의 저항을 줄일 수 있게 된다. Li4Ti5O12의 저항이 줄게 됨으로 인해 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 전체적인 등가직렬저항을 낮추게 된다. 등가직렬저항이 낮아지게 됨에 따라 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 출력밀도가 개선되고 수명 즉, 수명 사이클이 증가되게 된다. As an anode active material Li 4 Ti 5 O 12 is used, and a carbon coating on the surface of the Li 4 Ti 5 O 12 whereby it is possible to reduce the resistance of the Li 4 Ti 5 O 12. As the resistance of Li 4 Ti 5 O 12 is reduced, the overall equivalent series resistance of the hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention is lowered. As the equivalent series resistance is lowered, the hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention has an improved output density and an increase in life, that is, life cycle.

양극(11)과 음극(21)에서 각각 사용되는 도전재는 슈퍼-피(super-p)가 사용되며, 바인더는 PVDF(Polyvinylienefluoride), PVA(Polyvinyl alcohol) 및 PVP(Polyvinylpyrrolidone)로 이루어지는 군에서 하나가 선택되어 사용된다.Super-p is used as the conductive material used in the positive electrode 11 and the negative electrode 21, and the binder is one in the group consisting of polyvinylienefluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA) and polyvinylpyrrolidone (PVP). It is selected and used.

분리막(30)은 양극(11)과 음극(21) 사이에 설치되어 양극(11)과 음극(21)이 서로 접촉되는 것을 방지하여 양극(11)과 음극(21)이 서로 물리적으로 접촉되어 발생될 수 있는 전기적으로 연결되는 단락현상을 차단한다. 이러한 분리막(30)은 다공성(31)을 갖는 분리막(30)이 사용되며, 다공성(31)을 갖는 분리막(30)은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 및는 폴리올레핀계로 이루어지는 군에서 하나가 선택되어 사용된다.The separator 30 is installed between the positive electrode 11 and the negative electrode 21 to prevent the positive electrode 11 and the negative electrode 21 from contacting each other, so that the positive electrode 11 and the negative electrode 21 are in physical contact with each other. Shut off any short circuits that may be electrically connected. The separator 30 is a separator 30 having a porosity 31 is used, the separator 30 having a porosity 31 is selected from the group consisting of polypropylene-based, polyethylene-based and polyolefin-based.

본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 케이스(50)가 더 구비된다. Hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention is further provided with a case (50).

케이스(50)는 양극부재(10)와 음극부재(20) 사이에 분리막(30)이 삽입되어 권취되면 권취된 전극조립체(100)를 수납한다. 전극조립체(100)가 수납되면 케이스(50)의 내측에 리튬염이 포함되는 전해질을 투입하여 함침시킨다. 즉, 케이스(50)는 제1알루미늄 포일(12)의 전면과 후면에 각각 도포되며 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 양극(11)과, 양극(11)과 대향되도록 제2알루미늄 포일(22)의 전면과 후면에 각각 도포되며 카본이 코팅된 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 음극(21) 사이에 분리막(30)을 삽입된 후 권취되면 권취된 전극조립체(100)가 삽입되어 수납된다. The case 50 accommodates the wound electrode assembly 100 when the separator 30 is inserted and wound between the positive electrode member 10 and the negative electrode member 20. When the electrode assembly 100 is accommodated, an electrolyte containing lithium salt is impregnated into the case 50. That is, the case 50 is applied to the front and rear surfaces of the first aluminum foil 12, respectively, 60 to 75 wt.% Activated carbon, 5 to 15 wt.% Cathode active material, 1 to 10 wt.% Conductive material, and binder 5 60 to 90 wt.% Of a cathode active material coated with carbon and coated on the front and rear surfaces of the second aluminum foil 22 so as to face the anode 11 and the anode 11, respectively, and the conductive material 5 When the separator 30 is inserted between the negative electrode 21 formed of 20 wt% to 20 wt% and the binder 5 wt% to 15 wt%, the wound electrode assembly 100 is inserted and accommodated.

전극조립체(100)가 삽입되고 리튬염이 포함되는 전해질을 함침되면 양극(11)과 음극(21)에 각각 리드단자(120)를 연결한다. 여기서, 양극(11)과 음극(21)을 권취하여 전극조립체(100)의 형성 시 보빈(110)을 사용한다. 이와 같이 보빈(110)을 이용하여 전극조립체(100)가 권취되면 리튬염이 포함되는 전해질을 함침하며, 리튬염은 LiClO4, LiN(CF4SO2)2, LiBF4, LiCF3SO3, LiPF6, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되어 사용된다. When the electrode assembly 100 is inserted and the electrolyte containing lithium salt is impregnated, the lead terminals 120 are connected to the positive electrode 11 and the negative electrode 21, respectively. Here, the bobbin 110 is used to form the electrode assembly 100 by winding the anode 11 and the cathode 21. As such, when the electrode assembly 100 is wound using the bobbin 110, an electrolyte containing lithium salt is impregnated, and the lithium salt is LiClO 4 , LiN (CF 4 SO 2 ) 2 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , or LiPF. 6 , LiSbF 6 and LiAsF 6 are used at least one selected from the group consisting of.

본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. Referring to the accompanying drawings, a method for manufacturing a hybrid super capacitor using the composite electrode of the present invention is as follows.

도 1 및 도 3에서와 같이 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법은 먼저 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 양극물질을 제조한 후 제1알루미늄 포일(12)의 전면과 후면에 각각 도포하여 양극(11)을 제조한다(S10). 1 and 3, a method of manufacturing a hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention first includes 60 to 75 wt.% Of activated carbon, 5 to 15 wt.% Of a cathode active material, 1 to 10 wt.% Of a conductive material, and a binder. After preparing a positive electrode material composed of 5 to 15wt.%, The positive electrode 11 is manufactured by coating the front and rear surfaces of the first aluminum foil 12, respectively (S10).

양극(11)을 제조하는 과정(S10)을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 양극(11)을 제조하기 위해 먼저 활성탄 60 내지 75wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%의 비로 0.3 내지 10시간 동안 1차 혼합하여 보조양극물질을 제조한다(S11). 보조양극물질이 제조되면 보조양극물질에 양극활물질 5 내지 15wt.%를 첨가한 후 0.3 내지 3시간 동안 2차 혼합하여 양극물질을 제조한다(S12). Referring to the process (S10) for manufacturing the positive electrode 11 in more detail as follows. In order to manufacture the positive electrode 11, first, a secondary positive electrode material is prepared by first mixing 0.3 to 10 hours at a ratio of 60 to 75 wt.% Activated carbon, 1 to 10 wt.% Conductive material, and 5 to 15 wt.% Binder ( S11). When the auxiliary positive electrode material is prepared, 5 to 15 wt.% Of the positive electrode active material is added to the secondary positive electrode material, followed by secondary mixing for 0.3 to 3 hours to prepare a positive electrode material (S12).

양극물질이 제조되면 제1알루미늄 포일(12)의 전면에 양극물질을 도포한다(S13). 여기서, 제1알루미늄 포일(12)의 두께는 15 내지 25㎛를 갖는다. 제1알루미늄 포일(12)의 전면에 양극물질이 도포되면 제1알루미늄 포일(12)의 후면에 양극물질을 도포한다(S14). 제1알루미늄 포일(12)의 전면과 후면에 각각 양극물질이 도포되면 롤 프레스를 이용하여 130 내지 170℃로 압착한다(S15). 양극물질의 압착 시 양극물질의 두께가 80 내지 200㎛가 되도록 압착한다.When the positive electrode material is manufactured, the positive electrode material is coated on the entire surface of the first aluminum foil 12 (S13). Here, the thickness of the first aluminum foil 12 has 15 to 25 mu m. When the cathode material is coated on the front surface of the first aluminum foil 12, the cathode material is coated on the rear surface of the first aluminum foil 12 (S14). When the positive electrode material is applied to the front and rear surfaces of the first aluminum foil 12, each is pressed at 130 to 170 ° C. using a roll press (S15). When the cathode material is pressed, the cathode material is pressed to have a thickness of 80 to 200 μm.

양극물질이 제조되면 카본이 코팅된 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%의 비로 혼합하여 음극물질을 제조한 후 제2알루미늄 포일(22)의 전면과 후면에 각각 도포하여 음극(21)을 제조한다(S20). When the positive electrode material is manufactured, the negative electrode material is prepared by mixing the carbon-coated negative electrode active material in a ratio of 60 to 90 wt.%, The conductive material 5 to 20 wt.%, And the binder 5 to 15 wt.%, And then the second aluminum foil 22. Applying to the front and rear of the cathode (21) to manufacture (S20).

음극(21)을 제조하는 과정(S20)을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 음극(21)을 제조하기 위해 먼저 카본이 코팅된 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%의 비로 0.3 내지 10시간 동안 혼합하여 음극물질을 제조한다(S21). 카본이 코팅된 음극활물질은 카본이 코팅된 Li4Ti5O12이 사용된다. 이러한 카본이 코팅된 음극활물질은 고상법으로 제조된다. 고상법을 이용한 카본이 코팅된 음극활물질의 제조는 먼저 Li2CO3와 TiO2를 혼합한 후 450 내지 550℃에서 1차 하소시켜 열처리한다. 1차 하소가 완료되면 환원분위기에서 600 내지 900℃에서 2차 열처리하여 Li4Ti5O12에 카본을 코팅한다.Hereinafter, the process of manufacturing the cathode 21 (S20) will be described in detail. In order to manufacture the anode 21, first, a negative electrode material was prepared by mixing carbon-coated negative electrode active material 60 to 90 wt.%, Conductive material 5 to 20 wt.%, And binder 5 to 15 wt.% For 0.3 to 10 hours. (S21). Carbon-coated anode active material is carbon coated Li 4 Ti 5 O 12 It is used. The carbon-coated negative electrode active material is manufactured by the solid phase method. Preparation of the carbon-coated anode active material using the solid phase method is first mixed with Li 2 CO 3 and TiO 2 and heat-treated by primary calcination at 450 ~ 550 ℃. After the first calcination is completed, the carbon is coated on Li 4 Ti 5 O 12 by secondary heat treatment at 600 to 900 ° C. in a reducing atmosphere.

음극물질이 제조되면 제2알루미늄 포일(22)의 전면에 음극물질을 도포한다(S22). 제2알루미늄 포일(22)의 전면에 음극물질이 도포되면 제2알루미늄 포일(22)의 후면에 음극물질을 도포한다(S23). 여기서, 제2알루미늄 포일(22)의 두께는 15 내지 25㎛를 가진다. 제2알루미늄 포일(22)의 전면과 후면에 각각 음극물질이 도포되면 롤 프레스를 이용하여 130 내지 170℃로 압착한다(S24). 압착 시 음극물질의 두께는 80 내지 200㎛가 되도록 압착한다. When the negative electrode material is manufactured, the negative electrode material is coated on the front surface of the second aluminum foil 22 (S22). When the negative electrode material is coated on the front surface of the second aluminum foil 22, the negative electrode material is coated on the rear surface of the second aluminum foil 22 (S23). Here, the thickness of the second aluminum foil 22 has 15 to 25 μm. When the negative electrode material is applied to the front and rear surfaces of the second aluminum foil 22, respectively, it is pressed at 130 to 170 ° C. using a roll press (S24). At the time of compression, the thickness of the negative electrode material is compressed to be 80 to 200 μm.

양극(11)과 음극(21)의 제조가 완료되면 양극(11)과 음극(21) 사이에 분리막(30)을 삽입한 후 보빈(110)을 이용하여 젤리 롤(jelly roll)형 전극조립체(100)로 권취한다(S30). 전극조립체(100)가 제조되면 전극조립체(100)를 케이스(50)에 수납하고 리튬염이 포함되는 전해질을 함침한 후 케이스(50)가 밀봉되도록 조립하여(S40) 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조를 완료한다.After the manufacture of the anode 11 and the cathode 21 is completed, the separator 30 is inserted between the anode 11 and the cathode 21 and then a jelly roll type electrode assembly using the bobbin 110 ( To 100) (S30). When the electrode assembly 100 is manufactured, the electrode assembly 100 is accommodated in the case 50 and the electrode 50 is impregnated with an electrolyte containing lithium salt, and then the case 50 is assembled to seal (S40). Complete the manufacture of hybrid supercapacitors.

상기와 같이 제조된 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 전기적인 특성을 테스트한 결과가 도 4에 도시되어 있다.The results of testing the electrical characteristics of the hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention manufactured as described above are shown in FIG. 4.

도 4는 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터에 대한 씨-레이트(C-rate)를 측정한 결과이다. 씨-레이트(C-rate)는 용량을 1 시간 만에 모두 방출할 때 흐르는 전류로 정의된다. 4 is a result of measuring the c-rate (C-rate) for the hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention. C-rate is defined as the current that flows when the capacity is released in one hour.

카본이 코팅된 Li4Ti5O12을 음극에 적용한 본 발명의 하이브리드 슈퍼 커패시터는 1A(Ampere), 3A, 5A 및 10A일 때 각각 씨-레이트(C-rate)는 220F(Farad), 200F, 180F 및 80F이 되며, 직류 등가직렬저항(DC-ESR)은 40 mΩ이 된다. 반면에, 카본이 코팅되지 않은 Li4Ti5O12을 적용한 종래의 하이브리드 커패시터의 경우에 200F(Farad), 160F, 120F 및 40F이 되며, 직류 등가직렬저항(DC-ESR)은 50 mΩ이 된다. 도 4의 비교표에서와 같이 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 종래의 하이브리드 커패시터에 비해 씨-레이트(C-rate) 특성이 개선되며, 직류 등가직렬저항(DC-ESR) 특성 또한 개선되었다. In the hybrid supercapacitor of the present invention, in which Li 4 Ti 5 O 12 coated with carbon is applied to the cathode, C-rate is 220F (Farad), 200F, at 1A (Ampere), 3A, 5A, and 10A, respectively. 180F and 80F, and the DC equivalent series resistance (DC-ESR) is 40 mΩ. On the other hand, in the case of the conventional hybrid capacitor using Li 4 Ti 5 O 12 without carbon coating, 200F (Farad), 160F, 120F and 40F, and the DC equivalent series resistance (DC-ESR) is 50 mΩ. . As shown in the comparison table of FIG. 4, the hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention has an improved C-rate characteristic and a DC equivalent-resistance (DC-ESR) characteristic compared to a conventional hybrid capacitor. .

이상과 같이 본 발명의 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 양극(11)은 물론이고 음극(21)에 복합전극을 적용함으로써 전체적으로 등가직렬저항(ESR)을 낮추며 이로 인해 출력밀도 및 수명을 개선시키게 된다. As described above, the hybrid supercapacitor using the composite electrode of the present invention lowers the equivalent series resistance (ESR) as a whole by applying the composite electrode to the anode 11 as well as the cathode 21, thereby improving output density and lifespan. .

본 발명은 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터나 이차전지는 하이브리드나 전기자동차의 에너지 저장장치 분야에 적용할 수 있다.The present invention can be applied to a hybrid supercapacitor or secondary battery using a composite electrode in the field of energy storage of a hybrid or an electric vehicle.

10: 양극부재 11: 양극
12: 제1알루미늄 포일 20: 음극부재
21: 음극 22: 제2알루미늄 포일
30: 분리막 31: 다공성
40: 케이스 100: 전극조립체
110: 보빈 120: 리드단자10: anode member 11: anode
12: first aluminum foil 20: negative electrode member
21: cathode 22: second aluminum foil
30: separator 31: porous
40: case 100: electrode assembly
110: bobbin 120: lead terminal

Claims (17)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포되며 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 양극과;
상기 양극과 대향되도록 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포되며 카본이 코팅된 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 이루어지는 음극과;
상기 양극과 상기 음극 사이에 설치되어 양극과 음극이 서로 접촉되는 것을 방지하는 분리막과;
상기 양극과 상기 음극과 상기 분리막이 수납되고 리튬염이 포함되는 전해액이 함침되는 케이스로 구성되며,
상기 양극활물질은 스피넬계, 올리빈계 및 층상계 중 하나가 선택되며, 상기 음극활물질은 카본이 코팅된 Li4Ti5O12인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.A positive electrode applied to the front and rear surfaces of the first aluminum foil, respectively, comprising 60 to 75 wt.% Of activated carbon, 5 to 15 wt.% Of a cathode active material, 1 to 10 wt.% Of a conductive material, and 5 to 15 wt.% Of a binder;
A negative electrode which is applied to the front and rear surfaces of the second aluminum foil so as to face the positive electrode, and comprises 60 to 90 wt.% Of carbon-coated anode active material, 5 to 20 wt.% Conductive material, and 5 to 15 wt.% Binder;
A separator installed between the positive electrode and the negative electrode to prevent the positive electrode and the negative electrode from contacting each other;
Comprising a case in which the positive electrode, the negative electrode and the separator is accommodated and the electrolyte containing lithium salt is impregnated,
The cathode active material is selected from spinel, olivine and layered, and the anode active material is a hybrid supercapacitor using a composite electrode, characterized in that the Li 4 Ti 5 O 12 coated with carbon. 제9항에 있어서, 상기 리튬염은 LiClO4, LiN(CF4SO2)2, LiBF4, LiCF3SO3, LiPF6, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터.The composite according to claim 9, wherein the lithium salt is selected from the group consisting of LiClO 4 , LiN (CF 4 SO 2 ) 2 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiSbF 6, and LiAsF 6 . Hybrid supercapacitor using electrodes. 활성탄 60 내지 75wt.%와, 양극활물질 5 내지 15wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%로 비로 혼합하여 양극물질을 제조하여 제1알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포하여 양극을 제조하는 과정과;
상기 양극물질이 제조되면 카본이 코팅된 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%의 비로 혼합하여 음극물질을 제조하여 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포하여 음극을 제조하는 과정과;
상기 양극과 음극의 제조가 완료되면 양극과 음극 사이에 분리막을 삽입한 후 젤리 롤(jelly roll)형 전극조립체로 권취하는 과정과;
상기 전극조립체가 제조되면 전극조립체를 케이스에 수납하고 리튬염이 포함되는 전해질을 함침하여 조립하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법.A mixture of 60 to 75 wt.% Activated carbon, 5 to 15 wt.% Positive electrode active material, 1 to 10 wt.% Conductive material, and 5 to 15 wt.% Binder was prepared in a ratio to prepare a positive electrode material on the front and rear surfaces of the first aluminum foil. Manufacturing each of the anodes by coating;
When the cathode material is manufactured, a cathode material is prepared by mixing the carbon-coated anode active material 60 to 90 wt.%, The conductive material 5 to 20 wt.%, And the binder 5 to 15 wt.% By mixing the front surface of the second aluminum foil. Preparing a negative electrode by coating each on a rear surface;
When the production of the cathode and the anode is completed, inserting a separator between the anode and the cathode and winding the jelly roll type electrode assembly;
When the electrode assembly is manufactured, a method of manufacturing a hybrid supercapacitor using a composite electrode, characterized in that the electrode assembly is housed in a case and impregnated by impregnating an electrolyte containing lithium salt. 제11항에 있어서, 상기 양극을 제조하는 과정은 활성탄 60 내지 75wt.%와, 도전재 1 내지 10wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%의 비로 0.3 내지 10시간 동안 1차 혼합하여 보조양극물질을 제조하는 과정과;
상기 보조양극물질이 제조되면 보조양극물질에 양극활물질 5 내지 15wt.% 를 0.3 내지 3시간 동안 2차 혼합하여 양극물질을 제조하는 과정과;
상기 양극물질이 제조되면 제1알루미늄 포일의 전면에 양극물질을 도포하는 과정과;
상기 제1알루미늄 포일의 전면에 양극물질이 도포되면 제1알루미늄 포일의 후면에 양극물질을 도포하는 과정과;
상기 제1알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 양극물질이 도포되면 롤 프레스를 이용하여 130 내지 170℃로 압착하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the manufacturing process of the positive electrode secondary cathode material by first mixing for 0.3 to 10 hours at a ratio of 60 to 75wt.% Activated carbon, 1 to 10wt.% Conductive material, and 5 to 15wt.% Binder. Manufacturing a process;
Preparing a cathode material by secondary mixing 5-15 wt.% Of the cathode active material in the auxiliary cathode material for 0.3 to 3 hours when the auxiliary cathode material is manufactured;
When the cathode material is manufactured, applying the cathode material to the entire surface of the first aluminum foil;
Applying a cathode material to a rear surface of the first aluminum foil when an anode material is applied to the front surface of the first aluminum foil;
When the positive electrode material is applied to the front and rear surfaces of the first aluminum foil, respectively, the method of manufacturing a hybrid super capacitor, comprising a step of pressing at 130 to 170 ° C. using a roll press. 제11항에 있어서, 상기 음극을 제조하는 과정은 카본이 코팅된 음극활물질 60 내지 90wt.%와, 도전재 5 내지 20wt.%와, 바인더 5 내지 15wt.%의 비로 0.3 내지 10시간 동안 혼합하여 음극물질을 제조하는 과정과;
상기 음극물질이 제조되면 제2알루미늄 포일의 전면에 음극물질을 도포하는 과정과;
상기 제2알루미늄 포일의 전면에 음극물질이 도포되면 제2알루미늄 포일의 후면에 음극물질을 도포하는 과정과;
상기 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 음극물질이 도포되면 롤 프레스를 이용하여 130 내지 170℃로 압착하는 과정으로 구성되며,
상기 카본이 코팅된 음극활물질은 카본이 코팅된 Li4Ti5O12인 것을 특징으로 하는 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법.The method of claim 11, wherein the manufacturing process of the negative electrode is mixed for 0.3 to 10 hours at a ratio of carbon-coated negative electrode active material 60 to 90wt.%, Conductive material 5 to 20wt.%, And binder 5 to 15wt.% Preparing a negative electrode material;
When the negative electrode material is manufactured, applying a negative electrode material to the entire surface of the second aluminum foil;
Applying a negative electrode material to a rear surface of the second aluminum foil when a negative electrode material is applied to the front surface of the second aluminum foil;
When the negative electrode material is applied to the front and rear of the second aluminum foil, respectively, it consists of a process of pressing at 130 to 170 ° C. using a roll press.
The carbon-coated anode active material is a method of manufacturing a hybrid super capacitor, characterized in that the carbon coated Li 4 Ti 5 O 12 . 제11항에 있어서, 상기 카본이 코팅된 음극활물질의 제조는 Li2CO3와 TiO2를 혼합한 후 450 내지 550℃에서 1차 하소시켜 열처리하는 과정과;
상기 1차 하소가 완료되면 환원분위기에서 600 내지 900℃에서 2차 열처리하여 Li4Ti5O12에 카본을 코팅하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법.The method of claim 11, wherein the preparation of the carbon-coated anode active material comprises the steps of: heat treatment by mixing Li 2 CO 3 and TiO 2 firstly at 450 to 550 ° C .;
When the first calcination is completed, a method of manufacturing a hybrid super capacitor, characterized in that consisting of the process of coating the carbon on Li 4 Ti 5 O 12 by secondary heat treatment at 600 to 900 ℃ in a reducing atmosphere. 제11항에 있어서, 상기 제1알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포하여 양극을 제조하는 과정에서 제1알루미늄 포일의 두께는 15 내지 25㎛이며, 양극물질의 두께는 80 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the thickness of the first aluminum foil is 15 to 25㎛, the thickness of the positive electrode material is 80 to 200㎛ in the process of manufacturing the anode by applying to the front and rear surfaces of the first aluminum foil, respectively. The manufacturing method of the hybrid super capacitor made into. 제11항에 있어서, 상기 제2알루미늄 포일의 전면과 후면에 각각 도포하여 음극을 제조하는 과정에서 제2알루미늄 포일의 두께는 15 내지 25㎛이며, 음극물질의 두께는 80 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the thickness of the second aluminum foil is 15 to 25㎛, the thickness of the negative electrode material is 80 to 200㎛ in the process of manufacturing a cathode by applying to the front and rear surfaces of the second aluminum foil, respectively. The manufacturing method of the hybrid super capacitor made into. 제11항에 있어서, 상기 양극을 제조하는 과정에서 양극활물질은 스피넬계, 올리빈계 및 층상계 중 하나가 선택되어 사용되고, 상기 스피넬계는 LiMn2O4 및 Li(MnNi)O4 중 하나가 선택되어 사용되며, 상기 올리빈계는 LiFePO4이 사용되며, 상기 층상계는 LiCoO2이 사용되며,
상기 도전재는 슈퍼-피(super-p)가 사용되며,
상기 바인더는 PVDF(Polyvinylienefluoride), PVA(Polyvinyl alcohol) 및 PVP(Polyvinylpyrrolidone)로 이루어지는 군에서 하나가 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 슈퍼 커패시터의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the positive electrode active material in the process of manufacturing the positive electrode is selected from one of the spinel-based, olivine-based and layered, the spinel-based is selected from LiMn 2 O 4 and Li (MnNi) O 4 The olivine-based LiFePO 4 is used, the layered system is LiCoO 2 is used,
The conductive material is used super-p,
Wherein the binder is selected from the group consisting of PVDF (Polyvinylienefluoride), PVA (Polyvinyl alcohol) and PVP (Polyvinylpyrrolidone) is used in the production method of a hybrid supercapacitor.
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